农虫论文：应用转基因技术治理害虫的研究进展

河南农业大学

农业昆虫课程论文

论文题目：应用转基因技术治理害虫的研究进展

学 院 植物保护 专 业 植物保护

班 级 09级（3）班

学 号 0907101068 姓 名 高保岗

应用转基因技术治理害虫的研究进展

摘要：本文对转基因技术、转基因技术在害虫治理中的应用相关研究进展进行了综述，讨论了有害生物治理中基因工程潜在的问题和争议及解决途径，并对应用转基因技术治理害虫的前景作了展望。

关键词：转基因技术；害虫治理；研究进展

随着人口数量的增加，耕地面积的减少，发展可持续的高效农业已成为社会生产发展的新方式。化学杀虫剂在农业生产中起了重要作用，但同时也凸显了其弊端：即造成了环境的污染和粮食中农药残留，又因为化学杀虫剂的作用方式的非特异性，在杀害虫的同时，也会毒害到有益的昆虫及害虫的天敌，从而危及到多种生物资源，破坏生态平衡。 因此, 以生态学为基础, 采取与环境相容的控害措施成为害虫治理的必然趋势。近年来,基因工程技术的发展为培育抗虫作物提供了有力手段，应用转基因技术治理害虫有望成为解决当前害虫防治问题的有效措施。

本文就转基因技术、转基因技术在害虫治理中的应用相关研究进展及应用转基因技术产生的问题和解决途径作综述介绍。 1转基因技术介绍 1.1转基因技术

转基因技术（Transgene technology）是指运用科学手段把从一种生物中提取修饰过的所需基因导入到另一种生物体中，使与另一种生物的基因进行重组，由于导入基因的表达，引起生物体性状的可遗传的修饰的技术。人们常说的\遗传工程\、\基因工程\、\遗传转化\均是对转基因技术的同义描述。经转基因技术修饰的生物体在上常被称为\遗传修饰过的生物体\（Genetically modified organism，简称GMO）[1]。利用转基因技术可以改变动植物性状，培育新品种，对农业生产作用较大；也可以利用其它生物体培育出期望的生物制品，用于医药、食品等方面。 1.2转基因植物

转基因植物是基因组中含有外源基因的植物。它可通过原生质体融合、细胞重组、遗传物质转移、染色体工程技术获得，有可能改变植物的某些遗传特性，培育高产、优质、抗病毒、抗虫、抗寒、抗旱、抗涝、抗盐碱、抗除草剂等的作物新品种。而且可用转基因植物或离体培养的细胞，来生产外源基因的表达产物，如人的生长素、胰岛素、干扰素、白介素2、表皮生长因子、乙型肝炎疫苗等基因已在转基因植物中得到表达。

研究转基因植物的主要目的是提高用多肽或工业用酶的产量，改善食品质量，提高农作物对虫害及病原体的抵抗力。据统计，2001年世界上转基因植物栽培面积为5260万hm2，主要集中在美国、中国、加拿大、阿根廷、澳大利亚等国家。主要栽培植物有抗除草剂的大豆、抗螟蛾虫的玉米、抗病毒的烟草、抗虫害的棉花以及抗或耐除草剂的油菜等[2]。2009年国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)预计，未来全球转基因农作物种植面积，仍将保持快速发展的势头[3]。

1.3常用的植物转基因方法

遗传转化的方法按其是否需要通过组织培养、再生植株可分成两大类，第一类需要通过组织培养再生植株，常用的方法有农杆菌介导转化法、基因枪法；另一类方法不需要通过组织培养，目前比较成熟的主要有花粉管通道法。 1.3.1农杆菌介导转化法

农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，它能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位，并诱导产生冠瘿瘤或发状根。该方法的原理是利用根癌农杆菌和发根农杆菌为中间介体，让农杆菌感染受伤的植物细胞，然后将它所携带的质粒DNA片段整合到植物细胞基因组中，从而实现外源DNA到寄主植物细胞的转化[4]。根癌农杆菌和发根农杆菌中细胞中分别含有Ti质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中。因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。人们将目的基因插入到经过改造的T-DNA区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合，然后通过细胞和组织培养技术，再生出转基因植株。农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物中。近年来，农杆菌介导转化在一些单子叶植物（尤其是水稻）中也得到了广泛应用。 1.3.2基因枪法

又称生物弹射击法。它是将外源基因或DNA在Ca2+或亚精胺等作用下吸附在重金属金或钨粒子表面，制成DNA一微弹，利用基因枪将微弹高速射人植物受体细胞或组织中，从而实现转化。这个方法最大的特点是不受植物种类限制，单、双子叶植物均适用，且可以直接轰

击那些已完成形态分化的组织或器宫，如胚和分牛组织。但它的不足之处在于这一过程属机械和随机过程，受诸多物理因素(如金属弹大小、速度、均一性)的影响，整合效率不高，重复性差，对处理的植物材料也有一定程度的伤害。 1.3.3花粉管通道法

花粉管通道法是利用植物受粉后，花粉在雌蕊柱头上萌发形成的花粉管通道，将外源DNA液用微量注射器注入花中，带入受精卵而自然发育成种子。通过观察其后代的变异，筛选出转基因植株。该法的特点是不需要经由组织再生，可直接从种子发育得到的转基因植株，从而省去一整套人工组培过程，而且所得到的转基因植株也排除镶嵌体的存在。但是，这种方法存在转化频率低，重复性不高的缺点[5]。 2转基因技术治理害虫的应用

通过研究害虫在生态系统中及其所属食物链中的地位寻找害虫可持续治理的途径是实现害虫有效治理的重心所在。在植物、害虫及害虫天敌的食物链关系中，可以通过加强植物的抗虫性、增强天敌效力等途径调控害虫种群。通过转基因技术治理害虫也就是将转基因技术应用到害虫治理途径中，具体包括植物的转基因抗虫方式，害虫的转基因遗传防治方式和天敌的转基因增效方式。 2.1植物的转基因抗虫方式

植物的转基因抗虫机制就是将编码具杀虫活性产物的基因导人植物后，其表达产物可以影响取食害虫的消化功能，抑制害虫的生长发育甚至杀死害虫，从而使植物获得对取食害虫的耐性。

抗虫性转基因技术目前所使用的抗虫基因主要有三种：一是毒蛋白基因，如从微生物苏云金芽孢杆菌中分离出来的杀虫结晶蛋白基因，简称Bt基因；二是植物来源的抗虫基因(如蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、凝集素基因等) ，此外还有来源于微生物的抗虫基因[6]。但在研究中, 有效抗虫基因的筛选、基因整合的位置、外植体的再生、害虫的适应等方面仍潜在难题, 而首要解决的是筛选更多的能通过害虫消化道仍保护活性的抗虫蛋白基因。现有的基因主要是苏云金杆菌的内毒素、某些植物蛋白酶抑制素和凝集素的基因, 这显然远远不能满足害虫防治的需要。与此同时需要合理利用现有基因, 避免滥用使害虫产生抗性。提高基因表达水平和调控基因的特异性表达是解决害虫抗性的重要手段。 2.1.1 Bt毒蛋白基因利用

苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis，简称Bt)是一种分布非常广泛的好氧革格兰氏阳性菌，属于原核生物细菌纲芽胞杆菌科芽胞杆菌属。芽孢形成过程中，Bt菌体的一端或两端

会形成一个或多个具有生物活性的蛋白质晶体。这种蛋白质晶体由cry和cyt编码，能在一些昆虫体内活化成有毒性的蛋白，并与昆虫中肠上皮细胞的特异性受体结合，使其产生穿孔，使细胞膜周质和中膜腔之间的离子平衡破坏．引起细胞肿胀甚至裂解．从而导致昆虫死亡[7]。Bt转基因抗虫植物就是通过研究Bt菌cry和cyt的特性，并将其修饰改造后转入植物中表达，使植物具有抵抗特异害虫的能力。

抗虫基因工程是从克隆编码苏云金杆菌毒蛋白的基因, 并将其转移到植物细胞中获得抗虫转基因植株开始的。可将Bt杀虫晶体蛋白基因克隆到大肠杆菌质粒中表达, 或将其基因导入其他微生物，构建或改良可产生杀虫蛋白的工程菌来生产生物农药；也可将其转入植物体内，培育出各种抗虫作物。早期的转Bt基因作物毒素表达量很低, 不能有效杀死害虫, 通过引入强启动子和增强子对Bt基因加以改造或重组, 表达量可比用自然Bt基因高出100倍以上,充分显示了基因工程技术的巨大潜力。苏云金杆菌作为一种微生物杀虫剂使用，它比化学杀虫剂有更多的优点，因为有杀虫作用的晶体蛋白(ICPs)具有特异性，非靶昆虫、脊推动物、环境及使用者都无毒害作用。近年来，Bt基因的应用非常广泛，目前，已成为世界上植物抗虫基因工程中研究和应用最多的基因[8]。 2.1.1.1 Bt来源

1901年日本学者石渡首次从染病家蚕体中分离出苏云金杆菌, 命名为“Bacillus sot to ”,并证明其对一些鳞翅目昆虫有杀虫活性。1911年Berliner从德国苏云金省的患病地中海( Ephesia kuehniella )中重新分离得到这种杆菌,并在1915年正式定名为”Bacil lus thuringiensis n.sp”。同时提出了利用病原微生物防治农业害虫的设想。研究发现Bt的杀虫活性与伴胞晶(parasporal crysta1)有关，并且这种伴胞晶体是由蛋自质组成的。Bt的一个突出特征就是在芽胞形成过程中，产生由蛋白质组成的且具有杀虫活性的伴胞晶体。人们称这种蛋白质为δ—内毒素(δ-endotoxins)或杀虫晶体蛋白(insecticidal crystal protein，ICP)，而将编码这种蛋白的基因统称为Bt。Bt的基因组大小为2.4～5.7Mb，其质粒数目因种类不同而不同。Bt一般可含有多个质粒，其中至少有一个大质粒含有编码ICP的[9]。最早克隆的Bt是从Bt变种kurstaki HD一1的质粒DNA上获得的，原核表达实验显示该基因在大肠杆菌中表达分子量为130kDa的蛋白，对烟草天蛾(Manduca sexta)幼虫有一定毒性。目前已经从不同Bt的亚种中分离出400多种，它们编码的ICP对鳞翅目、鞘翅目、双翅目等多种昆虫和无脊椎动物(瞒类、寄生线虫、原生动物等)有特异的毒杀作用。 2.1.1.2 Bt杀虫晶体蛋白的杀虫机理

Bt的一个重要特性就是在芽孢形成过程中能产生一系列对昆虫具有高度特异性毒杀作

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